含空位γ—TiAl合金沿不同晶向拉伸特性研究

采用分子动力学模拟方法研究了含空位缺陷的γ-TiAl合金在不同晶向下的拉伸行为。通过一系列模拟分析了空位和晶格取向对力学性能和微观缺陷演化的影响。结果表明，晶向对Ti和Al空位的临界应力有明显的影响。含Ti空位模型的屈服应力高于含Al空位模型。在单晶γ-TiAl合金的变形过程中，发现位错密度与堆叠错数具有相同的变化趋势。此外，还讨论了温度对屈服强度的影响。随着温度的升高，材料的极限应力呈非线性下降，弹性模量明显降低。温度越高，晶体向和空位缺陷对极限应力的影响越小。     

不同空位浓度γ-TiAl合金剪切过程分子动力学模拟

利用分子动力学分析了不同空位浓度的Al空位和Ti空位对γ-TiAl合金剪切力学性能的影响，重点研究了含空位γ-TiAl合金的温度效应。结果表明，随着空位浓度增加，弹性模量没有太大变化，但剪切强度逐渐减小，且含Al空位γ-TiAl合金的剪切强度要高于含Ti空位γ-TiAl合金。在剪切过程中，材料偏向于离边界更近处的空位处形成位错源，进而向材料内部发射位错，并且出现了类似于宏观材料的颈缩现象。进一步分析了温度对空位浓度为0.5%的γ-TiAl合金剪切强度的影响，发现随着温度的增加，γ-TiAl合金剪切强度总体呈下降趋势。     

超细晶/纳米晶γ-TiAl基合金的流变行为研究

摘要：本文采用高能球磨及真空热压烧结方法制备超细晶/纳米晶双相γ-TiAl基合金。将Ti、Al、Nb单质粉末经25h高能球磨配制成名义成分为Ti-45Al-5Nb(at.%) 的纳米级混合粉末。球磨后的混合粉末经真空热压烧结（烧结温度1200℃,压力30MPa,保温保压1h）,原位合成Ti3Al 及γ-TiAl双相等轴状合金组织,烧结组织由小于500nm的等轴γ-TiAl相和纳米晶Ti3Al相组成。利用Gleeble-1500D对合金进行热压缩模拟实验,变形温度为1100℃-1200℃、应变速率10-4-10-2s-1,研究该合金压缩组织及流变行为。研究结果表明：与γ-TiAl合金微米级晶粒组织相比,超细等轴双相TiAl+Ti3Al组织明显降低了流变峰值应力,使其在2-2.5%应变量时就达到最大,流变应力随应变速率的降低和温度的升高而降低。同时建立流变应力本构方程,反映一定条件下流变过程中材料的结构特性。随温度升高γ相的孪生倾向显著增加,形变主要发生在基体γ-TiAl相中,晶界滑移、位错及孪晶为等轴双相γ-TiAl合金的高温形变机制,动态回复和再结晶为其软化制。     

孔洞式缺陷对γ-TiAl合金断裂行为的影响

采用分子动力学模拟方法研究了孔洞在不同温度、位置以及尺寸下对多晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响。结果表明,含孔洞式缺陷多晶γ-TiAl合金在1～750 K时为脆性解理断裂,1000 K和1200 K为韧性蠕变断裂。孔洞位于晶界和三叉晶界上时,合金更容易失效。与完美晶体相比,微孔洞的存在增加了多晶γ-TiAl合金的塑性。当孔洞半径大于1.0 nm时,多晶γ-TiAl合金的屈服应力和屈服应变急剧降低,材料发生失效的时间提前。孔洞尺寸的不同会影响材料的断裂方式,当孔洞半径R≤0.8 nm时,含孔洞多晶发生沿晶断裂;当R>0.8 nm时,多晶γ-TiAl合金的孔洞不断扩大逐步占满整个晶粒,发生穿晶断裂。     

切削深度对单晶γ-TiAl合金力学性能的影响（英文）

通过分子动力学模拟方法建立了单晶γ-TiAl合金的纳米切削模型和拉伸力学模型,研究了不同的切削深度对工件力学性能的影响。首先详细分析了切削过程中晶格转变和微观缺陷演化之间的关系;然后系统探讨了不同的切削深度对工件应力-应变曲线、位错形核位置和断口位置的影响。研究结果表明:在纳米切削过程中,晶格转变数量随着切削深度的增加而增加,并且与微观缺陷演化具有一致性;在一定切削深度范围内,切削后工件的屈服应力和弹性模量会有所提高。另外,切削深度对工件的位错形核位置和断口位置有较大的影响,切削后工件位错形核于工件的亚表面,而未经切削的工件其位错形核于边界处;工件的断口位置随着切削深度的增加向拉伸端靠近。     

切削深度对单晶γ-TiAl合金力学性能的影响

在本文，通过分子动力学模拟方法建立了单晶γ-TiAl合金的纳米切削模型和拉伸模型，其主要分析不同的切削深度对工件拉伸性能的影响。一方面，详细的研究了晶格转变和微观缺陷演化之间的关系；另一方面，系统的探讨了不同的切削深度对应力-应变曲线、位错形核位置和工件断口位置的影响。研究结果表明：在纳米切削阶段，晶格转变的数量会随着切削深度的增加而增多并且与微观缺陷演化具有一致性。在一定的切削深度范围内工件的屈服应力和弹性模量会相应的提高。另外，切削深度对工件的位错形核位置和断口位置有较大影响，经过加工的工件位错形核于工件的亚表面，而未经过加工的位错形核于工件的边界处，工件的断口位置随着切削深度的增加越靠近拉伸端。     

基于内聚力模型的γ-Ti Al合金中γ/γ界面裂纹扩展的多尺度模型（英文）

通过建立多尺度模型预测γ-TiAl合金中裂纹的扩展行为。利用分子动力学(MD)建立了真孪晶(TT)γ/γ界面模型,得到了界面内聚力区域(CZM)的本构参数;采用Voronoi方法生成了多晶γ-Ti Al合金介观模型,将CZM本构参数耦合到该模型中,得到了对应的不含缺陷、含钝裂纹和钝裂纹+中心空洞缺陷的临界应力断裂云图,利用几何相似性平均了多晶模型和整体裂纹拉伸关系曲线并分析了γ-Ti Al合金的损伤机理;根据连续介质假说建立了宏观有限元模型(FEM),通过对紧凑拉伸试样模拟给出了力-位移曲线并得到了材料的断裂韧性。最后,将宏观有限元模拟得到的裂纹扩展行为与实验结果进行比较,验证了该模型的有效性。结果表明:在晶粒数比例相同的情况下,缺陷对整个近γ结构的强度有着显著的敏感性,同时该多尺度方法可以有效地连接不同尺度并预测裂纹的扩展。     

金属间化合物L1_0-TiAl点缺陷浓度的第一原理

采用第一原理平面波赝势方法,结合Wagner-Schottky缺陷热力学模型,研究金属间化合物L10-TiAl中各种空位和反位点缺陷的形成焓、热力学平衡浓度及其相互作用等。结果表明:这些缺陷的热力学平衡浓度均随温度的升高而增大,其中反位缺陷浓度均高于空位缺陷浓度,Ti空位浓度高于Al空位浓度。在理想化学计量比成分下,Ti反位缺陷的浓度与Al反位缺陷的基本相当;在略偏离计量比的富Ti成分端,Ti反位缺陷的浓度高于Al反位缺陷的;在富Al成分端则相反。不同点缺陷之间均普遍存在相互排斥性,难以聚集,将倾向于向基体中分散和扩散。     

Ti-Al-Nb三元合金组织对力学性能的影响

通过合金设计的方法分别制备了具有单相(γ-TiAl)组织的合金A、二相(γ-TiAl+α2-Ti3Al)层片组织的合金B和三相(γ-TiAl+α2-Ti3Al+Nb2Al)混合组织的合金C3种Ti-Al-Nb三元合金,通过XRD、EPMA以及SEM等手段确定了这3种合金的组织结构和分布形态,并对这3种合金进行了室温和1173K的拉伸试验。结果表明,合金的显微组织与其性能密切相关,室温下合金B的塑性变形能力好于另外两种合金,这主要是因为α2相的存在降低了合金平均晶粒尺寸,由γ和α2两相构成的层片组织结构以及大量的γ/α2相界面。温度升高可以显著改善合金B的塑性变形能力,合金B在1173K时的拉伸延性达到40.4%,并且断裂方式从室温时的穿晶脆性断裂向1173K时的韧性断裂方式转变,而合金A、C不管在室温还是1173K,都显示出穿晶脆性断裂方式。合金C在室温和高温都很脆,是由于Nb2Al相的出现,降低了(γ+α2)两相层片组织的连续程度。     

新型高性能镍基粉末高温合金拉伸变形行为和机制研究

采用SEM和TEM研究了室温(23℃)和中温(650、750、815℃)下第3代镍基粉末高温合金(FGH98)拉伸变形显微组织、行为和机制。结果表明:含有多模尺寸分布γ′相的合金具有优良的拉伸性能,室温拉伸主要变形机制为位错剪切γ′相形成层错,并在γ′相周围形成位错环,阻碍后续位错运动。中温拉伸变形机制为位错剪切γ′相形成层错和形变孪晶,随着变形温度的升高,形变孪晶增多。给出了a/3112不全位错剪切γ′相形成层错和形变孪晶共存的模型,随着应变量的增加,在连续相邻的{111}滑移面上层错堆积变多,促进连续孪晶的形成,协调了γ和γ′相两相之间的变形,有助于释放两相之间的变形应力和提高合金强韧性。     

基于内聚力模型的 γ-TiAl合金中 γ/γ 界面裂纹扩展的多尺度模型

通过建立多尺度模型预测γ-TiAl合金中裂纹的扩展行为。利用分子动力学（MD）建立了真孪晶（TT）γ/γ界面模型,得到了界面内聚力区域（CZM）的本构参数;采用Voronoi方法生成了多晶γ-TiAl合金介观模型,将CZM本构参数耦合到该模型中,得到了对应的不含缺陷、含钝裂纹和钝裂纹+中心空洞缺陷的临界应力断裂云图,利用几何相似性平均了多晶模型和整体裂纹拉伸关系曲线并分析了γ-TiAl合金的损伤机理;根据连续介质假说建立了宏观有限元模型（FEM）,通过对紧凑拉伸试样模拟给出了力-位移曲线并得到了材料的断裂韧性。最后,将宏观有限元模拟得到的裂纹扩展行为与实验结果进行比较,验证了该模型的有效性。结果表明：在晶粒数比例相同的情况下,缺陷对整个近γ结构的强度有着显著的敏感性,同时该多尺度方法可以有效地连接不同尺度并预测裂纹的扩展。     

Ti-47Al-5Nb合金高温循环变形后的组织和断裂特征

为研究新一代高Nb含量γ-TiAl合金在低周疲劳过程中双态组织稳定性对应力-应变响应和疲劳断裂过程的影响，测试了Ti-47Al-5Nb合金在总应变控制条件下550℃～750℃温度范围的低周疲劳性能，并观察了循环变形后的显微组织，缺陷特征和断口形貌。结果表明：在550℃变形时所产生的循环硬化缘于不均匀的位错滑移，在滑移带内高密度位错之间产生强烈的相互作用降低了位错的可移动性，滑移带产生的应力集中使裂纹易于沿α2/γ层界面扩展。在650℃和750℃变形时的循环软化则一方面归因于部分α2片层溶解和γ相再结晶，另一方面大量孪晶的激活和位错通过交滑移和攀移克服短程障碍的作用使合金的变形能力提高，同时增加了疲劳过程中的塑性应变累积。疲劳断口特点为等轴γ晶和α2/γ层的穿晶断裂。     

晶粒尺寸对γ-TiAl力学性能影响的纳米压痕研究

为研究纳米压痕过程中晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能及变形行为的影响,利用Voronoi方法建立多晶γ-TiAl模型,采用分子动力学方法模拟压头压入不同晶粒尺寸模型的压痕过程,得到相应尺寸下的载荷-深度曲线,并计算了7种晶粒尺寸下γ-TiAl的硬度。结果表明：当晶粒尺寸小于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hall-Petch关系,位错和晶界活动共同促使材料发生塑性变形,晶界活动起主导作用。当晶粒尺寸大于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度符合Hall-Petch关系,晶界对材料变形影响较小,位错主导基体发生塑性变形。另外,分析了γ-TiAl在压痕过程中的应力传递和形变恢复过程,发现致密晶界网格结构能够有效抑制压痕缺陷及内应力向材料内部传递;晶粒尺寸越小,压头下方的内应力分布越均匀,沿压痕方向的弹性恢复比越小。     

K418合金显微组织及其增压器涡轮叶片热裂的研究

针对K418合金增压器涡轮叶片的热裂问题进行了研究。采用光学显微镜和扫描电镜分析了Al、Ti含量对K418合金显微组织的影响。利用Thermo-Calc热力学软件计算了K418合金中可能析出的平衡相,并分析了Al、Ti含量变化对平衡相的影响。结果表明:Al、Ti含量增加后,K418合金的显微组织发生了明显变化,γ′的尺寸增大且形状多样化,(γ+γ′)共晶增多,导致裂纹优先产生和扩展的部位增多;热裂为枝晶组织断裂,热裂纹在枝晶间产生和扩展;Al、Ti含量的增加均提高了γ′的析出温度和析出量,Al的影响尤为明显;Al、Ti含量增加后,均扩大了合金的有效结晶温度范围,导致涡轮叶片产生热裂。     

第一性原理研究反位缺陷对TiAl基合金力学行为的影响

采用第一性原理计算方法,计算了二元γ-TiAl基合金的广义层错能(GSFE)随成分的变化,获得了TiAl基合金中孪晶(TW)、普通位错(OD)、超晶格位错(SD_Ⅰ和SD_Ⅱ)等变形模式的形变势垒,分析了在外加应力作用下的变形模式选择,并讨论反位缺陷对二元γ-TiAl基合金塑性的影响。计算结果表明,TiAl反位缺陷能降低以超晶格内禀层错(SISF)为前缘分位错的TW变形模式的势垒,且扩大TW模式开动的剪切应力角度窗口,有利于改善TiAl基合金的塑性。Al_(Ti)反位缺陷则反之。Al_(Ti)反位缺陷降低了以复杂层错(CSF)为前缘分位错的OD和SD_Ⅱ变形模式的滑移势垒(γEB),而且扩大了它们开动的剪切应力角度窗口,可促进OD和SD_Ⅱ的滑移。由于CSF的滑移势垒比SISF高,因此,相较于以SISF为前缘分位错的TW变形模式,OD及SD_Ⅱ滑移对应的强度较高、塑性较差。计算结果较好地说明了Al_(Ti)反位缺陷对TiAl基合金塑性的改善没有TiAl反位缺陷明显的原因。     

Ti-Al-C体系的原位反应过程研究

以Ti、Al、C粉为组元,采用热压工艺合成TiC+Ti2AlC增强γ-TiAl+α2-Ti3Al合金。在不同温度时,通过X射线衍射分析了相组成,并讨论了体系的反应过程。结果表明,当合成温度为1 000℃时,产物中含有TiC和γ-TiAl+α2-Ti3Al相。继续升高热压温度后,形成了另一种增强相Ti2AlC。对反应过程分析表明,在Ti-Al-C体系中,TiC相是最稳定的中间相,亦是合成Ti2AlC相的前提。温度升高后,将有利于TiC相向Ti2AlC相转变。     

Ti6Al4V合金的高温短时蠕变本构关系与应力松弛行为

对Ti6Al4V合金在不同温度(650、700和750℃)、初始应力(100和150 MPa)和预应变(3.97%和15.87%)条件下进行多组应力松弛试验;研究Ti6Al4V合金高温下的应力松弛行为以及影响因素。利用应力松弛的试验数据推导出高温短时蠕变应变速率与应力的关系,对蠕变应变速率-应力曲线进行拟合,得到Ti6Al4V合金的高温短时蠕变本构方程。将高温短时蠕变本构关系代入有限元软件ABAQUS中对Ti6Al4V合金的应力松弛行为进行模拟。结果表明:Ti6Al4V合金的应力松弛可以分为两个阶段:第一个阶段应力松弛速率很快,剩余应力急剧降低,该过程时间为应力松弛的前250 s;第二个阶段应力松弛较为缓慢,经过2000 s后剩余应力趋向于某一极限值,即应力松弛极限。温度对Ti6Al4V合金应力松弛的影响显著,应力松弛随温度的升高而加快,且温度越高,应力松弛极限越小。初始应力和预应变越大,应力松弛极限越大,但是两者对应力松弛行为的影响不大。模拟结果与试验测得的应力松弛曲线具有很高的吻合度,验证了高温短时蠕变本构关系的可靠性。     

粉末冶金铍-铝合金高温蠕变行为试验研究

通过高温拉伸蠕变试验,研究温度和应力对粉末冶金铍-铝合金[w(Be)=62%、w(Al)=38%]的短时蠕变行为的影响。研究结果表明:随着温度或应力的提高,合金的蠕变率先增大后基本保持不变,极限蠕变率为2.16%。铍-铝合金的蠕变过程中,位错滑移和孪晶蠕变对低温低应力蠕变过程起着关键作用,而位错攀移对高温蠕变起着重要作用。温度为473.15 K,合金的应力指数为3.19;在应力150 MPa下,铍-铝合金的蠕变激活能为22.41 k J/mol。在低应力蠕变状态下,铝相是蠕变中载荷的承载体;随着蠕变应力的增加,铍相逐渐成为蠕变过程中载荷的主要承载体。     

应用LMTO-CPA方法对Ti-Al合金热力学性质的研究

采用快速LMTO-CPA方法,计算了TiAl合金的晶格常数随成分变化关系,理论结果与实验符合很好。理论结果表明,TiAl合金在富Al区,多余的Al原子占据Ti格点后,系统能量降低,有利于γ-TiAl相的稳定性,而在富Ti区,多余的Ti原子占据Al格点后,将使系统能量陡增,不利于γ-TiAl相的稳定性,而有利于新相的形成。     

Al_xCrMnFeCoNi高熵合金的显微结构、拉伸性能及锯齿流变形为（英文）

研究双相Al_xCrMnFeCoNi (x=0.4,0.5,0.6,摩尔分数,%)高熵合金的显微结构、拉伸力学性能与锯齿流变形为。经热力学处理后合金的显微组织由铸态树枝晶演化为由fcc和bcc组成的等轴晶。随A1含量增加,bcc相体积分数增大,fcc晶粒尺寸减小,合金强度得到显著提高。在中温区间,随试验温度升高,锯齿流变类型发生A+B→B+C(C)转变。因Al原子对位错的钉扎作用较强,含Al合金的平均锯齿应力振幅明显高于不含Al的CoCrFeNiMn合金。早期的小变形使fcc晶粒产生较低密度位错列和弯曲位错,而bcc晶粒中位错的攀移和剪切机制占主导地位。较大塑性变形后,位错的交滑移和扭折现象频繁发生,而高密度的位错缠结形成位错胞结构。